基于ATO/PU涂层技术制备透明隔热PC阳光板

论文摘要

PC阳光板正日益成为建筑节能的首选材料之一。但其保温性主要依赖于双层间空气较低的热传导和对流,效果不理想,而若增加PC阳光板层数又将大大提高了其加工难度和工艺复杂性。从隔热保温原理上讲,通过透明设施的热量中,有60%是经红外传递的,因此减小红外辐射是增加PC板隔热保温性能的另一重要策略。ATO（二氧化锡锑）纳米颗粒是一种对太阳光谱具有理想选择性透明隔热材料,即在可见光区透过率高,而对红外光却有很好的阻隔性能。目前它主要以涂料（水分散聚氨酯WPU为基体树脂）的形式应用于玻璃,起到透明隔热作用。但尚未见到将其应用于PC阳光板的报道。这可能跟涂层在PC表面的附着力较低有关。如能解决此难题,将有很高的应用价值和广阔的市场前景。基于工程化考虑,本研究首先利用湿法球磨工艺研制了纳米分散的ATO水浆液。分别进行了小试和中试研究。系统考察了球磨前ATO悬浮液pH值、球磨时间、球磨罐/珠材质、球磨机转速、球磨珠直径、ATO浆液后处理与否等因素对ATO纳米分散效果的影响。发现球磨前调节pH值到10,使用不锈钢球磨罐和粒径0.2mm的锆珠,在480rpm转速下球磨7.5h,最后再在4000rpm下离心40min,即可得到纳米级稳定分散的ATO水性浆液（粒径在80nm左右）,固含量在28%以上。其后,将上述制得ATO浆液与水性聚氨酯（WPU）物理掺混,并添加助剂,涂敷在玻璃基底上,干燥固化后得到ATO/PU涂层。透射电镜观察证实ATO颗粒在涂层中达到纳米级均匀分布。考察ATO含量对所制涂层（涂层厚度约为40μm）透明隔热性能的影响发现,当ATO含量为9.1%时,涂层可见光区透过率为75%,红外阻隔率达83%,紫外阻隔率达80%。另外,添加偶联剂KH560（γ-环氧基丙基三甲氧基硅烷）可大幅提高涂层耐水性；为提高涂层附着力,对PC阳光板表面进行了适度碱液处理,引入能反应的羟基和羧基。它们与ATO/WPU涂料中的KH560反应,使得涂层附着力明显提高（由5级上升到1级）。同时,仍保留了涂层良好的透明隔热性能。当ATO/PU涂层厚度为30μm时,PC阳光板依然具有较高可见光透过率（80%）和较高的红外光及紫外光阻隔率（分别为65.6%及94%）；且实际隔热效果明显,与空白PC阳光板相比自测箱内温度降低了7℃左右。最后,进一步深入研究了ATO的隔热机理。采用掺混法和涂层法分别将ATO纳米级分散至PC树脂内部和表面,对比测试实际隔热效果,表明涂层技术具有明显优势,进一步证实了ATO对红外光的阻隔是基于吸收而非反射。同时,利用叠合技术模拟纳米ATO分布位置,以及增加风吹模拟PC阳光板使用环境。证实纳米ATO只需分布在PC阳光板表面、环境风吹有利于更好地发挥隔热效果。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 目录
• 第一章 文献综述
• 1.1 前言
• 1.2 纳米涂料及其发展概况
• 1.2.1 纳米涂料的基本概念
• 1.2.2 纳米材料在涂料中的应用
• 1.2.3 纳米涂料的制备方法
• 1.3 ATO基透明隔热纳米涂料研究进展
• 1.3.1 纳米分散ATO制备研究现状
• 1.3.2 ATO基透明隔热纳米涂料的国外研究现状
• 1.3.3 ATO基透明隔热纳米涂料的国内研究现状
• 1.3.4 ATO基透明隔热纳米涂料的产业化状况
• 1.4 聚碳酸酯表面碱处理
• 1.4.1 PC表面活化的化学基础
• 1.4.2 PC碱液处理工艺
• 1.4.3 碱处理后效果表征
• 1.5 聚氨酯涂层耐水性和附着力改性研究
• 1.5.1 丙烯酸酯改性
• 1.5.2 有机硅改性
• 1.5.3 环氧树脂改性
• 1.5.4 交联改性
• 1.5.5 纳米改性
• 1.6 本课题的立题依据及研究内容
• 第二章 ATO纳米分散浆液的制备
• 2.1 前言
• 2.2 实验部分
• 2.2.1 实验试剂及仪器设备
• 2.2.2 ATO浆液的制备
• 2.2.3 ATO分散效果的表征
• 2.3 结果与讨论
• 2.3.1 小试阶段实验
• 2.3.1.1 球磨罐和球磨珠材质对ATO分散效果的影响
• 2.3.1.2 球磨机转速对ATO分散效果的影响
• 2.3.1.3 浆液后处理对涂层雾影影响
• 2.3.2 中试暨量产阶段实验
• 2.3.2.1 球磨机转速对ATO分散效果影响
• 2.3.2.2 球磨前调节pH值对ATO分散效果影响
• 2.3.2.3 氧化锆球磨珠的直径对ATO分散效果影响
• 2.4 本章小结
• 第三章 ATO/PU透明隔热涂层的制备
• 3.1 前言
• 3.2 实验部分
• 3.2.1 实验试剂及仪器
• 3.2.2 实验步骤
• 3.2.2.1 ATO/PU涂层的制备
• 3.2.2.2 ATO/PU涂层的性能测试
• 3.3 结果与讨论
• 3.3.1 ATO在PU涂层中的分散
• 3.3.2 ATO含量对涂层光谱性能影响
• 3.3.3 KH560含量对涂层耐水性能影响
• 3.3.4 ATO/PU涂层的老化性能和硬度
• 3.4 本章小结
• 第四章 基于ATO/PU涂层技术制备PC阳光板
• 4.1 前言
• 4.2 实验部分
• 4.2.1 实验试剂及仪器
• 4.2.2 实验步骤
• 4.2.2.1 碱液对PC阳光板表面处理及表征
• 4.2.2.2 在PC阳光板表面涂覆ATO/PU透明隔热涂料
• 4.2.2.3 基于ATO/PU涂层透明隔热PC阳光板性能测试
• 4.3 结果与讨论
• 4.3.1 PC表面浸润性
• 4.3.2 PC表面基团变化
• 4.3.3 碱液处理对涂层附着力影响
• 4.3.4 ATO/PU-PC透明隔热阳光板的光谱性能
• 4.3.5 ATO/PU-PC透明隔热阳光板的实际隔热效果
• 4.3.6 ATO/PU-PC透明隔热阳光板其它性能
• 4.4 涂装工艺研究
• 4.4.1 涂装方式及设备
• 4.4.2 淋涂工艺
• 4.4.3 喷涂和滚涂工艺
• 4.4.4 刷涂工艺
• 4.8 本章小结
• 第五章 纳米ATO透明隔热材料隔热机理研究
• 5.1 前言
• 5.2 实验部分
• 5.2.1 实验试剂及仪器
• 5.2.2 实验步骤
• 5.2.2.1 样品制备
• 5.2.2.2 性能表征
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 掺混法中ATO在PC树脂中的分散效果
• 5.3.2 掺混法和涂层法隔热效果对比
• 5.3.3 ATO分布位置对隔热效果的影响
• 5.3.4 外界环境对隔热效果的影响
• 5.5 本章小结
• 第六章 结论、创新点及展望
• 参考文献
• 致谢
• 攻读硕士学位期间发表的论文（投稿）和申请的专利